Einleitung
„Silikonbasierte Gap Pads“ werden häufig als thermische Interface-Materialien, sogenannte Thermal Interface Materials (TIMs), in Elektronikkomponenten, Leistungsmodulen und Batteriesystemen eingesetzt. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Lücken zwischen wärmeerzeugenden Bauteilen und Kühlkörpern zu überbrücken und gleichzeitig Oberflächenrauheiten sowie mechanische Toleranzen auszugleichen. Neben der mechanischen Anpassungsfähigkeit ist die WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit des Pads eine der entscheidenden Kenngrößen für die Bewertung seiner Eignung in einem thermischen Managementsystem.
Methode und Messbedingungen
Um aussagekräftige Wärmeleitfähigkeitswerte zu erhalten, insbesondere auch bei tiefen Temperaturen, wird die LFA-Messung idealerweise mit einer DSC-basierten Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität ergänzt. Die Kombination aus LFA-, DSC- und Dichtedaten liefert ein vollständiges und zuverlässiges Bild der thermischen Leistungsfähigkeit des Materials.
In dieser Untersuchung wurde die TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit mittels Laser Flash Analyse mit der NETZSCH LFA 717 HyperFlash® bestimmt. Die Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.spezifische Wärmekapazität (cp) wurde separat mit der NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® gemessen. Zusammen mit der DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte der Probe wurde daraus die Wärmeleitfähigkeit berechnet nach:
mit:
λ = Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K)
α = Temperaturleitfähigkeit in mm²/s
cp = Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.spezifische Wärmekapazität in J/(g·K)
ρ = Dichte in g/cm³
Die Messungen wurden unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Die DSC-Messung diente zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität sowie zur Erfassung energetischer Übergänge des Silikonpads. Insgesamt wurden drei Proben untersucht; für die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit wurden die gemittelten Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.cp-Werte verwendet. Die LFA-Messung lieferte die temperaturabhängige Temperaturleitfähigkeit des Materials. Die Messbedingungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1: Messbedingungen für DSC und LFA
| Methode | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Gerät | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Atmosphäre | Stickstoff | Stickstoff |
| Temperaturprogramm | -150 °C bis 310 °C | -100 °C bis 300 °C |
| Heizrate | 10 K/min | 10 K/mon |
| Probenmasse | Probe 1: 11,205 mg; Probe 2: 11,224 mg | - |
| Probenabmessungen | Ø 4 mm, 1 mm dick | 20 mm x 20 mm x 0.8 mm |
| Sensor/Thermoelement | DSC 204 F1 t-Sensor, Typ E | MCT, Typ K |
Ergebnisse
Die DSC-Messung zeigt die temperaturabhängige spezifische Wärmekapazität des Silikonpads im Bereich von -150 °C bis 310 °C (Abbildung1). Bei tiefen Temperaturen ist ein Glasübergang bei etwa -121 °C zu erkennen. Die Änderung der spezifischen Wärmekapazität am Glasübergang beträgt etwa 0,09 J/(g·K). Darüber hinaus tritt bei ungefähr -41 °C ein ausgeprägter endothermer Peak auf. Dieser wird dem Schmelzen kristalliner bzw. geordneter silikontypischer Bereiche zugeordnet. Die ermittelte Schmelztemperaturen und SchmelzenthalpienDie Schmelzenthalpie einer Substanz, auch bekannt als latente Wärme, stellt ein Maß der Energiezufuhr dar, typischerweise Wärme, welche notwendig ist, um eine Substanz vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen. Der Schmelzpunkt einer Substanz ist die Temperatur, bei der die Substanz von einem festen (kristallinen) in den flüssigen Zustand (isotrope Schmelze) übergeht.Schmelzenthalpie beträgt etwa 23 J/g.
Die Ergebnisse zeigen eine kontinuierliche Zunahme der spezifischen Wärmekapazität mit steigender Temperatur, wie sie für polymere Materialien typisch ist. Der endotherme Effekt um -41 °C wurde für die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit nicht direkt verwendet. Stattdessen wurde die cp-Kurve in diesem Temperaturbereich interpoliert, um zu vermeiden, dass latente Wärmeanteile fälschlicherweise in die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit einfließen.
Die mit der LFA bestimmte Temperaturleitfähigkeit des Silikonpads nimmt mit steigender Temperatur kontinuierlich ab, siehe Abbildung 2. Bei tiefen Temperaturen um -100 °C liegt sie bei etwa 0,18 mm²/s. Bei Raumtemperatur werden Werte von ungefähr 0,13 bis 0,14 mm²/s erreicht. Bei 300 °C sinkt die Temperaturleitfähigkeit auf etwa 0,08 mm²/s.
Dieses Verhalten ist charakteristisch für polymerbasierte Materialien. Mit zunehmender Temperatur wird der Phononentransport durch steigende molekulare Beweglichkeit und stärkere Streuprozesse weniger effizient. Dadurch sinkt die Temperaturleitfähigkeit, wohingegen die spezifische Wärmekapazität mit der Temperatur zunimmt.
Die berechnete Wärmeleitfähigkeit bleibt über den untersuchten Temperaturbereich in einem vergleichsweise engen Wertebereich. Bei tiefen Temperaturen liegt sie bei etwa 0,25 W/(m·K). Mit steigender Temperatur nimmt sie moderat ab und erreicht bei 300 °C Werte von etwa 0,17 W/(m·K).
Zusammenfassung
Dieses Beispiel zeigt, dass die LFA 717 HyperFlash® dank hoher Empfindlichkeit und präziser Temperaturführung auch bei langsam reagierenden, silikonbasierten Interface-Pads über einen breiten Temperaturbereich – einschließlich anspruchsvoller Tieftemperaturbedingungen – zuverlässige Temperaturleitfähigkeitsdaten liefert. Gerade im Tieftemperaturbereich ist die ergänzende Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität mittels DSC entscheidend, da erst die Kombination aus LFA-Daten, cp-Werten und Dichte eine belastbare Berechnung der Wärmeleitfähigkeit ermöglicht. Diese Fähigkeit, auch unterhalb der Raumtemperatur verlässliche Ergebnisse zu liefern, ist ein klarer Vorteil für die Entwicklung moderner Silikon-TIMs.